أغشية إعذاب هجينة ديناميكية ذكية تنظف نفسها

[القاهرة] وضع باحثون منهجًا جديدًا لتطوير أغشية إعذاب مياه البحر، يؤسس لعمل أنواع هجينة موفرة للطاقة، تقوم بالتحلية وعمليات الفصل الأخرى بكفاءة، وعمر تشغيل طويل.

المنهج المفاهيمي الذي أرساه فريق باحثين من جامعة نيويورك أبو ظبي يمثل أرضيةً يمكن البناء عليها لتصنيع أغشية ديناميكية ذكية، تتمتع بالقدرة على التنظيف الذاتي.

والحاصل نوع من التحايُل على ضرورة التنظيف الكيميائي ذي البصمة البيئية السلبية، توصل إليه الباحثون بالبحث والدراسة بالتعاون مع أقران من ’معهد تكنولوجيا الأغشية‘ في إيطاليا، ونُشرت النتائج في دورية ’نيتشر كوميونيكيشنز‘ منتصف سبتمبر الماضي.

بذا تصير الأغشية بلا مشكلات تلوث تقريبًا، وتوصلوا إلى ذلك بدمج بلورات عضوية تستجيب للمحفزات، فتمنح الطبقة السطحية منها حركيةً تنظفها، عوضًا عن ثباتها في الأغشية التقليدية التي تتعرض للتلوث والانسداد.

وأيضًا يتغلب على أحد العيوب الشائعة في الأغشية المستخدمة حاليًّا، التي تعتمد على ’التناضح العكسي‘ في تنقية المياه من الأملاح والشوائب، لكن التلوث والانسداد يخفضان كمية المياه المحلاة الناتجة عنها، ويخفضان كذلك كفاءتها في الانتقائية، ما يستلزم تغييرها بعد مدة قريبة ويرفع تكلفة التحلية الإجمالية.

غشاء التحلية المبتكر قادر على تنظيف نفسه بنفسه دون استخدام أي مواد كيميائية، وفق إعجاز أحمد، الباحث الرئيس للدراسة، والباحث بمختبر المواد الذكية في جامعة نيويورك أبوظبي.

يقول أحمد لشبكة SciDev.Net: ”نهجنا بلا كيماويات قاسية، ويعتمد على وظيفة ديناميكية ذكية تسهم في تنظيف الغشاء ذاتيًّا دون تعطيل عملية التحلية، عبر تمرير دفعة من الماء الساخن مدة ثوانٍ بدلًا من مياه البحر“.

ويشرح: عدم الاستقرار الميكانيكي الناتج عن الاستجابة الميكانيكية السريعة للبلورات للتسخين أعلى قليلًا من درجة حرارة الغرفة يؤدي إلى تنشيط الغشاء وإزالة الشوائب بشكل فعال، وبالتالي زيادة نقل الكتلة وإطالة عمرها التشغيلي.

وللحد من هذه المشكلة تلجأ محطات التحلية إلى ’التنظيف الكيميائي‘ الدوري، باستخدام مواد كيميائية مثل الأحماض القوية، إلا أن هذه الطريقة لا تضر بسلامة الغشاء فحسب، بل قد تسبب أضرارًا بيئيةً على المدى الطويل، ومخاطر مختلفة غير متوقعة، خاصةً في بيئات مياه البحر الراكدة.

أما الغشاء المبتكر فيتطلب تحضيره خطوةً إضافيةً واحدة، بدمج بلورات ديناميكية مستجيبة للحرارة في المصفوفة البوليمرية للغشاء، وهي غير قابلة للذوبان في الماء، وبالتالي فهي تعمل باعتبارها مكونًا خاملًا كيميائيًّا، ولكنه نشط ميكانيكيًّا، وفق أحمد.

تتميز هذه البلورات بسرعة الاستجابة خلال أقل من ثانية واحدة، عند تغيُّر درجة الحرارة، فمع تعرُّضها للماء الساخن تستجيب حركيًّا عن طريق التمدد، ما يؤدي إلى زعزعة استقرار الشوائب والملوثات وإزالتها من الغشاء بفاعلية، ولديها القدرة على استعادة شكلها الأصلي عند إعادة درجة الحرارة إلى معدلها.

يقول أحمد: ”تتميز تقنيتنا بعدم حاجتها إلى مواد جديدة كليًّا من أجل تصنيعها، إنما تعتمد على مواد متاحة تجاريًّا وشائعة الاستخدام، ولا يستدعي تطوير الغشاء الجديد سوى تطبيق مرحلة واحدة إضافية تتمثل في دمج المواد الفعالة (البلورات الديناميكية) في الأغشية الحالية“.

وفيما يتعلق بإمكانية تصنيع الغشاء الجديد يوضح بانتشيه ناوموف -قائد الفريق البحثي والباحث بمختبر المواد الذكية، في جامعة نيويورك أبوظبي- أن الدراسة قدمت وصفًا لعملية دمج البلورات في أغشية التحلية، ويمكن للشركات استخدام الطريقة نفسها، أو استخدام طريقة أخرى، اعتمادًا على التوافق مع إجراءات الإنتاج الخاصة بها.

وتتمثل خطوات الفريق القادمة في محاولة الحصول على تمويل من القطاعين العام أو الخاص لاستكمال العمل في هذا المشروع ليصل إلى مرحلة التطبيق، خاصةً وأن تكلفة إنتاج الغشاء الجديد تقدر بنحو 50 ألف دولار، وفق أحمد.

يشير نادر نور الدين -أستاذ الموارد المائية بكلية الزراعة بجامعة القاهرة- إلى أن تكلفة تصميم أغشية التحلية الجديدة وإنتاجها لا تزال مرتفعة، خاصةً لدول منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، وينبغي -خلال الدراسات القادمة- البحث عن كيفية إنتاج هذه الأغشية محليًّا، واكتشاف وسيلة لخفض استهلاكها للطاقة.

من جانبه يقول حسام شوقي، مدير مركز التميز المصري لأبحاث تحلية المياه بمركز بحوث الصحراء: ”جرت محاولات عدة من أجل تحسين خواص أغشية التحلية الحالية، الموجودة منذ منتصف القرن الماضي، وتمديد عُمرها الافتراضي، لكننا لن نستطيع تقييم أيٍّ من تلك التصميمات الجديدة سوى عبر توفير إمكانية تصنيعها على أرض الواقع، واستخدامها تجاريًّا“.

ويوضح شوقي أن أي غشاء تحلية مُطور لا بد أن تكون له صفتان أساسيتان: ”إنتاج كمية كافية من مياه الشرب تسد الاحتياجات اليومية، والتغلب على مشكلة التكلفة الاقتصادية المرتفعة لإنتاج متر مكعب واحد من تلك المياه“.

فيما يتعلق بتكلفة إنتاج الأغشية الجديدة يوضح ناوموف أن ”الهدف من الدراسة في الأساس هو حل مشكلة الحاجة إلى تغيير أغشية التحلية داخل المحطات خلال مدد قصيرة، الأمر الذي سيسهم على المدى الطويل في خفض نفقات التحلية الإجمالية“.

ويستطرد ناوموف: ”خفض تكلفة تصنيع الأغشية والحد من استهلاك الكهرباء أمران لا تختص بتقديمهما الدراسة الحالية“، مشيرًا إلى أن تكلفة تحلية المياه مشكلة متشعبة يستدعي حلها تكاتُف عدد كبير من الباحثين في مختلف المجالات.

تقنيات تحلية المياه القائمة على الأغشية أصبحت أمرًا لا مفر منه، نظرًا للندرة الشديدة في موارد المياه العذبة لا سيما في منطقة الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، ويمكن أن توفر تحلية مياه البحر والمياه الجوفية قليلة الملوحة -ويمثلان معًا 97.5% من موارد المياه العالمية- إمداداتٍ ثابتةً ومستدامةً من المياه العذبة عالية الجودة.

هذا الموضوع أنتج عبر المكتب الإقليمي لموقع SciDev.Net بإقليم الشرق الأوسط وشمال أفريقيا